物理学史(光学)综述课件

第四章第四章 光学的光学的发发展展 4.1 历史概述 4.2 折射定律的建立 4.3 牛顿研究光的色散 4.4 光的微粒说和波动说 4.5 光谱的研究第一节第一节 光学历史概述光学历史概述 光学的起源也和力学、热学一样,可以追溯到二、三千年前。我国的墨经就记载了许多光学现象,例如投影、小孔成像、平面镜、凸面镜、凹面镜等等。西方也很早就有光学知识的记载,欧儿里得(Euclid,公元前约330-260)的反射光学(Catoptr ica)研究了光的反射,阿拉伯学者阿勒哈增(Al-Hazen,965 1038)写过一部光学全书,讨论了许多光学现象。光学真正形成一门科学,应该从建立反射定律和折射定律的时代算起,这两个定律奠定了几何光学的基础。光的本性也是光学研究的重要课题。微粒说把光看成是由微粒组成,认为这些微粒按力学规律沿直线飞行,因此光具有直线传播的性质。19 世纪以前,微粒说比较盛行。但是,随着光学研究的深入,人们发现了许多不能用直进性解释的现象,例如干涉、衍射等,用光的波动性就很容易解释,于是光的波动说又占了上风。两种学说的争论构成了光学发展史中的一根红线。第二节：折射定律的建立第二节：折射定律的建立 折射现象发现得很早,折射定律却几经沧桑,经过漫长的岁月才得以确立。早在古希腊时代,天文学家托勒密(约100 170),曾专门做过光的折射实验。他写有光学5 卷,可惜原著早已失传。从残留下来的资料可知,在那部书中记有折射实验和他得到的结果:折射角与入射角成正比。大约过了一千年,阿勒哈增发现托勒密的结论与事实不符。他认识到入射线、反射线和反光镜的法线总是在同一平面,入射线与反射线各处于法线的一侧。根据屏高根据屏高BEBE和两阴和两阴影的长度影的长度EHEH和和EGEG，就可，就可算出立方体的入射角和算出立方体的入射角和出射角之比。出射角之比。1、开普勒的工作：开普勒的工作：16111611年写了年写了折光学折光学，记载了两个实验。，记载了两个实验。第一个实验第一个实验:比较入射角和折射角：如图，日光比较入射角和折射角：如图，日光LMNLMN斜射到器壁斜射到器壁DBCDBC上，上，BCBC边沿的影子投射到底座于边沿的影子投射到底座于HKHK；另一部分从；另一部分从DBDB射进一玻璃立射进一玻璃立方体方体ADBEFADBEF内，阴影的边沿形成于内，阴影的边沿形成于IGIG。第二个实验是：第二个实验是：用一个圆柱性玻璃，令光线沿用一个圆柱性玻璃，令光线沿S S1 1和和S S2 2入射，通过圆柱中入射，通过圆柱中心的光线心的光线S S1 1方向不变，和圆柱边沿相切的光线方向不变，和圆柱边沿相切的光线S S2 2偏折最大，偏折最大，并发现最大偏折角约为并发现最大偏折角约为42420 0。全反射的发现：全反射的发现：令令ABAB为玻璃与空气的分界面，如图。光线从空气进入为玻璃与空气的分界面，如图。光线从空气进入玻璃发生折射，由于最大偏折角为玻璃发生折射，由于最大偏折角为42420 0，所以进入玻璃的光，所以进入玻璃的光线将构成一个夹角为线将构成一个夹角为42420 02=842=840 0的锥形的锥形MONMON。若有一束光若有一束光从玻从玻璃射向空气，当入射角璃射向空气，当入射角大于大于42420 0时，则到达时，则到达O O点点后，将既不能进入空气，后，将既不能进入空气，也不能进入也不能进入MONMON锥形区域，锥形区域，必定反射为必定反射为。2 2、斯涅耳斯涅耳(W.Snell,1591-1626)(W.Snell,1591-1626)的工作：的工作：折射定律的正确表述是荷兰的斯涅耳(W.Snell,1580-1626)在1621 年从实验得到的。方法和开普勒基本相同，但斯涅耳发现，比值OS/OS恒为常数，并由此导出图中所示式子。3 3 笛卡儿的工作：笛卡儿的工作：现代形式的折射定律是笛卡儿在1637年出版的方法论中提出的。他将空气和其他介质（如玻璃或水）的界面看作是一层很脆薄的布，设想有一小球斜方向投向界面，当球穿过薄布时，在垂直于界面的方向损失了部分速度，但平行于界面的方向上的速度不变。据此他得出：visin i=vrsin r，所以有：sin i/sin r=vr/vi=常数 但由于他假但由于他假设介介质交界交界面两面两侧的光速的平行分量相的光速的平行分量相等是等是错误的，的，为使理使理论与与实验数据相符，必数据相符，必须假假设光密光密媒媒质内的光速比光疏媒内的光速比光疏媒质大。大。这显然都是不正确的。然都是不正确的。4 4 费马的工作：费马的工作：1661年年费马费马用最短用最短时间时间原理推出了折射定律：原理推出了折射定律：同时证明了光从光疏媒质进入光密媒质时向法线方向偏折。折射定律的确立是光学发展史中的一件大事。它的研究由于天文学的迫切要求而受到推动,因为天文观测总是会受大气折射的影响,后来又加上光学仪器制造的需要,所以到了17 世纪,许多物理学家都致力于研究折射现象。一经建立起折射定律,几何光学理论很快得到了发展。第三节第三节 牛顿研究光的色散牛顿研究光的色散 牛顿是一位科学巨匠。他不仅在力学上有伟大的成就，在数学、天文学、化学以至光学上都有杰出的贡献。单就光学方面的工作，就足以被后人敬为科学上的伟人。和力学方面的综合工作不同，牛顿在光学方面的工作多是奠基性的实验研究，其中尤以色散的研究最为突出。1 1、色散现象的早期研究、色散现象的早期研究2 2、牛顿对色散现象的思考、牛顿对色散现象的思考3 3、牛顿的色散实验、牛顿的色散实验1 1、色散现象的早期研究、色散现象的早期研究 色散也是一个古老的课题，最引人注目的是彩虹现象。早在13世纪，科学家就对彩虹的成因进行了探讨。（1）德国有一位传教士叫西奥多里克（Theodoric），曾在实验中模仿天上的彩虹。他用阳光照射装满水的大玻璃球壳，观察到了和空中一样的彩虹，以此说明彩虹是由于空气中水珠反射和折射阳光造成的现象。不过，他的进一步解释没有摆脱亚里士多德的教义，继续认为各种颜色的产生是由于光受到不同阻滞所引起。（2）笛卡儿用实验检验西奥多里克的论述。在方法论（1637年）的一篇附录中专门讨论了彩虹，并介绍了他所做的棱镜实验：他用棱镜将阳光投射到荧屏上，发现不论光照到棱镜的那一部位，折射后屏上的图象都是一样的。从而否定了光是由于受到不同阻滞而产生不同颜色的说法。由于笛卡儿的屏离棱镜太近（只有几厘米），他没有看到色散后的整个光谱。只注意到光带的两侧分别呈现兰色和红色。（3）1648年，布拉格的马尔西用三棱镜演示色散成功。不过他解释错了。他认为红色是浓缩了的光，蓝色是稀释了的光；之所以会出现五颜六色，是由于光受物质的不同作用，因而呈现各种不同的颜色。17世纪正当望远镜、显微镜问世，伽利略运用望远镜观察天体星辰，胡克用显微镜观察微小物体，激起了广大科学界的兴趣。然而，当放大倍数增大时，这些仪器不可避免地都会出现象差和色差，使人们深感迷惑。人们不理解，为什么在图象的边缘总会出现颜色？这和彩虹有没有共同之处？这类现象有什么规律性？怎样才能消除？这时，牛顿正在英国剑桥大学学习。他的老师中有一位数学教授名叫巴罗（Isaac Barrow，16301677），对光学很有研究。牛顿听过他讲光学，还帮他编写光学讲义。牛顿很喜欢做光学实验，还亲自动手磨制透镜，想按自己的设计装配出没有色差的显微镜和望远镜。这个愿望激励他对光和颜色的本性进行深入的探讨。2 2、牛顿对色散现象的思考、牛顿对色散现象的思考 牛顿从笛卡儿等人的著作中得到许多启示。例如笛卡儿说过：“运动慢的光线比运动快的光线折射得更厉害，”胡克描述过肥皂泡的颜色变化，认为不同的颜色是光脉冲对视网膜留下的不同印象。红色和蓝色是原色，其它颜色都是由这两种颜色合成和冲淡而成。牛顿注意到这些说法的合理成分，同时也提出许多疑问。在牛顿留下的手稿中，记录了许多当年的疑问和思考，例如，他问道：如果光是脉冲，为什么不像声音那样在传播中偏离直线？为什么弱的脉冲比强的脉冲运动快？为什么水比水蒸汽更清晰？为什么煤是黑的，煤烧成的灰反而是白的？牛顿不满意前人（包括他的老师）对光现象的解释，就自己动手做起了一系列实验。3 3、牛顿的色散实验、牛顿的色散实验 牛顿从笛卡儿的棱镜实验得到启发，又借鉴于胡克和玻意耳的分光实验。胡克用了一只充满水的烧瓶代替棱镜，屏距折射位置大约60厘米，玻意耳把棱镜散射的光投到1米多高的天花板上，而牛顿则将距离扩展为67米，从室外经洞口进入的阳光经过三棱镜后直接投射到对面的墙上。这样，他就获得了展开的光谱，而前面的几位实验者只看到两侧带颜色的光斑。牛顿高明之处就在于他已经意识到了不同颜色的光具有不同的折射性能，只有拉长距离才能分解开不同折射角的光线。疑疑问：色散是不是由于光和棱色散是不是由于光和棱镜作用的作用的结果？果？实验实验一：一：为了证明红光和蓝光各具不同的折射性能，牛顿用棱镜做了如下的实验。如图在一张黑纸上画一条线abc，半边bc为深蓝色，半边ab为深红色，经棱镜观看，只见这根线好象折断了似的，分界处正是红蓝之交，蓝色部分ef比红色部分ed更靠近棱脊。可见蓝光比红光受到更大的折射。实验实验二：二：为了证明色散现象不是由于棱镜跟阳光的相互作用，也不是由于其它原因，而是由于不同颜色具有不同的折射性，牛顿又做了一个实验。他拿三个棱镜作实验，三个棱镜完全相同，只是放置方式不同，如下图。如果色散是由于光线和棱镜的作用引起的，经过第二和第三棱镜后，这种色散现象应进一步加强。显然实验结果不支持这一观点。实验结果是：果是：原来分散的各种颜色，经过第二个棱镜后又还原成白光，形状和原来一样。再经过第三个棱镜，又分解成各种颜色。由此证明，棱镜的作用是使白光分解为不同成分，又可使不同成分合成为白光。牛顿这一科学论断和当时已流传上千年的观念是格格不入的。他预料会遭到科学界的反对，于是又做了一个很有说服力的实验。牛顿把这个实验称为“判决性实验”。拿两块木板，一块DE放在窗口F紧贴棱镜ABC处，光从S平行进入F后经棱镜折射穿过小孔G，各种颜色以不同的角度射向另一块木板de。de离DE约4米远，板上也开有小孔g，在g后面也放有一块三棱镜abc，使穿过的光再折射后抵达墙壁MN。使第一个棱镜ABC缓缓绕其轴旋转，这样第二块木版上不同颜色的光相继穿过小孔g到达三棱镜abc。实验实验三：三：实验结果：果：被第一个三棱镜折射最厉害的紫光，经过第二个三棱镜时也偏折的最多。结论：白光是由折射性能不同的各种颜色的光组成。在色散在色散实验实验的基的基础础上，牛上，牛顿总结顿总结出了几条出了几条规规律，即：律，即：1、光线随其折射率不同，色也不同。色不是光的变态，而是光线原来的、固有的属性。2、同一色属于同一折射率，不同的色，折射率不同。3、色的种类和折射的程度是光线所固有的，不会因折射、反射或其它任何原因而改变。4、必须区分两种颜色，一种是原始的、单纯的色，另一种是由原始的颜色复合而成的色。5、本身是白色的光线是没有的，白色是由所有色的光线按适当比例混合而成。6、由此可解释棱镜形成各种色的现象及彩虹的形成。7、自然物体的色是由于对某种光的反射大于其它光反射的缘故。8、把光看成实体有充分根据。牛顿的这些结论相当全面，而且论据充分。但是当时人们难以接受，因为这涉及到中世纪以来关于光的本性的种种争论。牛顿对这个问题并没有作出判决，但是他的结论与光的本性密切相关。牛顿关于光和颜色的理论对当时人们来说实在太新奇了，怀疑和攻击不断对牛顿袭来。有人认为牛顿的光谱实验没有考虑到太阳本身的张角，有人主张光谱变长是一种衍射效应，还有人提出可能是天空中云彩的反映。胡克对牛顿挑剔得最厉害，他认为牛顿的实验不具判决性，用别的理论也可说明，而牛顿的理论无法解释薄膜的颜色。为此，牛顿在几年后又做了一个实验。牛顿又作如下实验：取一长而扁的三棱镜，使它产生的光谱相当狭窄。当屏放在位置1时，屏上显示仍为白光；当将屏倾斜到位置2时，就可看到分解的光谱。这一实验说明：光谱只涉及屏的角度，结果与棱镜无关。因而也就回答了怀疑者提出的质疑。实验实验四：四：牛顿的光学研究具有独特的风格,他在光学领域中的成就集中反映在1704 年出版的光学一书中。该书的副标题是:关于光的反射、折射、拐折和颜色的论文。全书共分三编,棱镜光谱实验收集在第一编中。正像牛顿在该书开始所说的:“我的计划不是用假设来解释光的性质,而是用推理和实验来提出并证明这些性质。”在第一编中,牛顿共提出19 个命题,33 个实验,他以大量篇幅详细描述实验装置、实验方法和观测结果。牛顿有一句名言:“不作虚假的假设”(hypot heses non f ingo)。他的光学研究正是从实验和观察出发,进行归纳综合,总结出一套完整的科学的理论。归纳法是科学研究的重要方法之一(当然不是唯一的方法),牛顿对色散的研究为后人树立了光辉的样板。第四节第四节 光的微粒说和波动说光的微粒说和波动说 什么是光？光的本性是什么？它由什么组成？每一位研究光学现象的物理学家都必然会涉及这些问题。从折射定律和色散现象的研究也可以看出这一点。1 1、早期的波动说、早期的波动说2 2、托马斯、托马斯杨的研究杨的研究3 3、菲涅耳的贡献、菲涅耳的贡献 笛卡尔主张波动说，他认为光本质上是一种压力，在完全弹性的、充满一切空间的媒质（以太）中传递，传递的速度无限大。但他却又用小球的运动来解释光的反射和折射。牛顿倾向于微粒说，认为光可能是微粒流，这些微粒从光源飞出，在真空或均匀媒质中做惯性运动，但他在研究牛顿环时，却认识到了光的周期性，使他把微粒说和以太振动的思想结合起来，对干涉条纹做出了自己的解释。可见，不论是笛卡尔还是牛顿，都没有对光的本性做出肯定的判断。1 1、早期的波动说、早期的波动说（1）胡克）胡克 胡克明确主张光是一种振动，并根据云母片的薄膜干涉现象作出判断，认为光是类似水波的某种快速脉冲。在1667年出版的显微术一书中，他写道：“在均匀媒质中，这种运动在各个方向都以同一速度传播，所以发光体的每个脉冲或振动都必然会形成一个球面。这个球面不断扩大，就如同把石块投进水中在水面一点周围的波或环，膨胀为越来越大的圆环一样（尽管要快得多）。由此可见，在均匀媒质中激起的这些球面的所有部分都与射线以直角相交。”（2）惠更斯）惠更斯 荷兰物理学家惠更斯发展了胡克的思想。他进一步提出光是发光体中微小粒子的振动在弥漫于宇宙空间的以太中的传播过程。光的传播方式与声音类似，而不是微粒说所设想的像子弹或箭那样的运动。1678年他向巴黎的法国科学院报告了自己的论点，并于1690年取名光论正式发表。他写道：“假如注意到光线向各个方向以极高的速度传播，以及光线从不同的地点甚至是完全相反的地方发出时，其射线在传播中一条穿过另一条而互相毫无影响，就完全可以明白：当我们看到发光的物体时，决不会是由于这个物体发出的物质迁移所引起，就象穿过空气的子弹或箭那样。”罗迈（Olaf Roemer，16441710）在1676年根据木星卫蚀的推迟得到光速有限的结论，使惠更斯大受启发。罗迈观测到当地球行至太阳和木星之间时，木卫蚀提早78分钟，而当地球行至太阳的另一侧时，木卫蚀却推迟78分钟。由此推算光穿越地球轨道约需22分钟。惠更斯根据罗迈的数据和地球轨道直径计算出光速c=2108米/秒。这个结果虽然尚欠精确，却是第一次得到的光速值。于是惠更斯设想传播光的以太粒子非常之硬，有极好的弹性，光的传播就象振动沿着一排互相衔接的钢球传递一样，当第一个球受到碰撞，碰撞运动就会以极快的速度传到最后一个球。下图就是惠更斯自己画的一幅示意图。他认为，以太波的传播不是以太粒子本身的远距离移动，而是振动的传播。惠更斯接着写道：“我们可以设想，以太物质具有弹性，以太粒子不论受到推斥是强还是弱都有相同的快速恢复的性能，所以光总以相同的速度传播。”左下图是惠更斯描绘光波的示意图。这样，惠更斯就明确地论证了光是波动，并进而以光速的有限性推断光和声波一样必以球面波传播。接着，惠更斯运用子波和波阵面的概念，引进了一个重要原理，这就是著名的惠更斯原理。他写道：“关于波的辐射，还要作进一步考虑，即传递波的每一个物质粒子，仅将运动传给从发光点开始所画直线上的下一个粒子，而且还要传给与之接触的并与其运动相对抗的其他一切粒子。结果是，在每个粒子的周围，兴起了以该粒子为中心的波。所以，（如右下图），设DCF是从发光点A发出的并以该点为中心的波，则在球面DCE内的一个粒子B，将产生自己独有的波（按：即子波）KCL，与这个波在C点触及波DCE的同时，从A点发出的主波也到达DCE。显然，波KCL与波DCE的唯一接触点是在AB直线上，即C点。球面DCE内的其他点bb、dd等等也将类似地产生各自的波。每个这样的波与波DCE相比虽然都无限微弱，但所有这些波距A点最远的那部分表面却组成了波DCE（按：即波阵面）。”惠更斯用他的原理说明了光的反射和折射。从他的理论可以推出与笛卡儿不同的折射公式：1669年丹麦的巴塞林纳斯（Erasmus Bartholinus，16251698）发现了双折射现象。当他用方解石（也叫冰洲石）观察物体时，注意到有双像显示。经过反复试验，他确定是这种晶体对光有两种折射：寻常折射和非寻常折射。这是继干涉、衍射之后发现的又一光学新现象。惠更斯在得知巴塞林纳斯的发现后，立即重复进行了实验。他证实了这一现象，并且观察到在其他晶体，例如石英，也有类似效应，只是效果差些。进一步他还确定寻常折射仍然遵守折射定律，非寻常折射则不遵守折射定律。至于双折射现象的解释，惠更斯很巧妙地提出了椭球波的设想，认为方解石等晶体的颗粒可能具有特殊形状，以至光波通过时，在某一方向比在另一方向传播得更快一些，于是就出现了不同的折射。惠更斯发展了波动理论。但是由于他把光看成象声波一类的纵波，因此不能解释偏振现象。他的波动理论也不能解释干涉和衍射现象，因为那时还没有建立周期性和位相等概念。早期的波动理论缺乏数学基础，还很不完善，而牛顿力学正节节胜利。以符合力学规律的粒子行为来描述光学现象，被认为是唯一合理的理论，因此，直到18世纪末，占统治地位的依然是微粒学说。托马斯杨（Thomas Young，17731829）是英国人，从小聪慧过人，博览群书，多才多艺，17岁时就已精读过牛顿的力学和光学著作。他是医生，但对物理学也有很深造诣，在学医时，研究过眼睛的构造和其光学特性。就是在涉及眼睛接受不同颜色的光这一类问题时，对光的波动性有了进一步认识，导致他对牛顿做过的光学实验和有关学说进行深入的思考和审查。1801年，托马斯杨发展了惠更斯的波动理论，成功地解释了干涉现象。他是这样阐述他的干涉原理的：“当同一束光的两部分从不同的路径，精确地或者非常接近地沿同一方向进入人眼，则在光线的路程差是某一长度的整数倍处，光将最强，而在干涉区之间的中间带则最弱，这一长度对于不同颜色的光是不同的。”2 2、托马斯、托马斯杨的研究杨的研究菲涅耳双棱镜实验菲涅耳双棱镜实验 托马斯杨明确指出，要使两部分光的作用叠加，必须是发自同一光源。这是他用实验成功地演示干涉现象的关键。许多人想尝试这类实验往往都因用的是两个不同的光源而失败。在1807年托马斯杨的论文中描述了他的双缝实验，他写道：“使一束单色光照射一块屏，屏上面开有两个小洞或狭缝，可认为这两个洞或缝就是光的发散中心，光通过它们向各个方向绕射。在这种情况下，当新形成的两束光射到一个放置在它们前进方向上的屏上时，就会形成宽度近于相等的若干条暗带。图形的中心则总是亮的。”双缝干涉实验为托马斯杨的波动学说提供了很好的证据，这对长期与牛顿的名字连在一起的微粒说是严重的挑战。托马斯杨说得好：“尽管我仰慕牛顿的大名，但我并不因此非得认为他是百无一失的。我遗憾地看到他也会弄错，而他的权威也许有时甚至阻碍了科学的进步。”果然，托马斯杨由于提出干涉原理而受到当时一些权威学者的围攻，其中有一位以牛顿学术权威自居的布劳安（HenryBrougham）攻击得最为刻薄，说托马斯杨的文章“没有任何价值”，“称不上是实验”，干涉原理是“荒唐”和“不合逻辑”的，等等。一二十年间，竟没有人理解托马斯杨的工作。据说，托马斯杨为回驳布劳安专门撰写的论文竟无处发表，只好印成小册子，小册子出版后，“只卖出了一本”。1809年，法国的马吕斯（Etienne Louis Malus，17751812）发现偏振现象，并认为找到了决定性的证据，证明光的波动理论与事实矛盾。然而，托马斯杨面对困难并没有动摇自己的科学信念，他写信给马吕斯说12：“您的实验证明了我采用的理论（即干涉理论）有不足之处，但是这些实验并没有证明它是虚伪的。”经过几年的研究，托马斯杨逐渐领悟到要用横波的概念来代替纵波，而这正是菲涅耳（Augustin Jean Fresnel，17881827）继续发展波动理论的出发点。3 3、菲涅耳的贡献、菲涅耳的贡献 菲涅耳是法国的一位工程师，对光学很感兴趣，曾发明一种用于灯塔的螺纹透镜，人称菲涅耳透镜。他精通数学，因此有条件在光学的数学理论方面作出特殊的贡献。1817年1月12日，托马斯杨写信给阿拉果，告诉他已找到了用波动理论解释偏振的线索，说：“用这个理论也可以解释沿半径方向以相等速度传播的横向振动，其粒子的运动是在相对于半径的某个恒定的方向。这就是偏振。”1818年4月29日，托马斯杨再次写信给阿拉果，又提到偏振问题，他把光比之于绳索的振动。阿拉果把这封信给菲涅耳看，菲涅耳立即看出这一比喻为互相垂直的两束偏振光之所以不能相干提供了真正的解释，而这一不相干性正可作为杨氏假说的极好佐证。阿拉果和菲涅耳合作研究光学多年，互相垂直的两束偏振光的相干性是他们共同研究的课题，就这个课题已进行了多次实验，得到了重要成果。1819年，他们联名发表了关于偏振光线的相互作用。但是当菲涅耳指出，只有横向振动才有可能把这个事实纳入波动理论时，阿拉果表示自己没有勇气发表这类观点，于是论文的第二部分乃以菲涅耳一人的名义发表。阿拉果在光学方面作出了许多贡献，但在关键问题上却令人遗憾地采取了暖昧态度。菲涅耳的光学研究和法国科学院1818年的悬奖征文活动有一些联系。这次竞赛的题目是：“利用精密的实验确定光线的衍射效应。根据实验用数学归纳法推导出光线通过物体附近时的运动情况。”竞赛的评奖委员会的本意是希望通过这次征文，鼓励用微粒理论解释衍射现象，以期取得微粒理论的决定性胜利。主持这项活动的著名科学家，例如：比奥（J.B.Biot）、拉普拉斯和泊松（S.D.Poission）都是微粒说的积极拥护者。出乎意料地是，不知名的年轻学者菲涅耳以严密的数学推理，从横波观点出发，圆满地解释了光的偏振，并用半波带法定量地计算了圆孔、圆板等形状的障碍物所产生的衍射花纹，推出的结果与实验符合得很好，使评奖委员会大为惊讶。比奥叹服菲涅耳的才能，写道：“菲涅耳从这个观点出发，严格地把所有衍射现象归于统一的观点，并用公式予以概括，从而永恒地确定了它们之间的相互关系。”评奖委员泊松在审查菲涅耳的理论时，运用菲涅耳的方程推导圆盘衍射，得到了一个令人稀奇的结果：在盘后方一定距离的屏幕上影子的中心应出现亮点，如图416。泊松认为这是荒谬的，在影子的中心怎么可能出现亮点呢？于是就声称这个理论已被驳倒。在这个关键时刻，阿拉果向菲涅耳伸出了友谊之手，他用实验对泊松提出的问题进行了检验。实验非常精彩地证实了菲涅耳理论的结论，影子中心果然出现了一个亮点。这一事实轰动了巴黎的法国科学院。菲涅耳于是就荣获了这一届的科学奖，而后人却戏剧性地称这个亮点为泊松亮点。泊松亮泊松亮点：点：菲涅耳开创了光学研究的新阶段。他发展了惠更斯和托马斯杨的波动理论，成为“物理光学的缔造者”。标志着光学进入了新的发展时期-波动光学时期。1850年傅科测定了光在水中和空气中的速度，给光的粒子说以最后的打击，从此光的波动说占据了统治地位。19世纪60年代，麦克斯韦发表了电磁场理论，并计算出电磁波的传播速度和光速相等，明确提出光是一种电磁波。揭示了光和电磁波的统一性。约20年后被赫兹实验证实。第五节第五节 光谱的研究光谱的研究1 1、历史的回顾、历史的回顾2 2、巴尔末发现氢光谱规律、巴尔末发现氢光谱规律3 3、里德伯的普遍公式、里德伯的普遍公式1 1、历史的回顾、历史的回顾 可以说，光谱学的历史就是从牛顿的色散实验这里开始的。不过牛顿并没有观察到光谱谱线，因为他当时不是用狭缝，而是用圆孔作光阑。据说当时他也曾想到用狭缝，但他委托助手来做这部分实验，而助手不了解他的意图，因而失去了发现的机会。以后一百多年这方面并没有重大进展。在文献上记载的只有英国的梅耳维尔。174849年间，他用棱镜观察了多种材料的火焰光谱，包括钠的黄线。直到1800年，赫谢尔测量太阳光谱中各部分的热效应，发现红端辐射温度较高，他注意到红端以外的区域，也具有热效应，从而发现了红外线。1801年，里特发现了紫外线，他从氯化银变黑肯定在紫端之外存在看不见的光辐射。他还根据这一化学作用判断紫外线比可见光具有更高的能量。1802年，沃拉斯顿（William Hyde Wollaston，17661828）观察到太阳光谱的不连续性，发现中间有多条黑线，但他误认为是颜色的分界线。1803年，托马斯杨进行光的干涉实验，第一次提供了测定波长的方法。德国物理学家夫琅和费在光谱学上作过重大贡献。德国物理学家夫琅和费在光谱学上作过重大贡献。夫琅和费（Joseph von Fraunhofer，17871826）对太阳光谱进行过细心的检验，18141815年，他向慕尼黑科学院展示了自己编绘的太阳光谱图，内有多条黑线，并对其中八根显要的黑线标以A至H等字母（人称夫琅和费线），这些黑线后来就成为比较不同琉璃材料色散率的标准，并为光谱精确测量提供了基础。是他发明了衍射光栅。开始他用银丝缠在两根螺杆上，做成光栅，后来建造了刻纹机，用金钢石在玻璃上刻痕，做成透射光栅。他用自制的光栅获得D线的波长为0.00058877毫米。其后，光谱的性质逐渐被人们认识，并受到了重视。许多人进行过光谱方面的实验，认识到发射光谱与光源的化学成分以及光源的激发方式有密切关系。1848年，傅科（Jean Leon Foucault，18191868）注意到钠焰既发射D线，同时也会从更强的弧光吸收D线。1859年，基尔霍夫（Gustav Robert Kirchhoff，18241887）对光的吸收和发射之间的关系作了深入研究。他和本生（RobertWilhelm Bunsen，18111899）研究了各种火焰光谱和火花光谱，并且在研究碱金属的光谱时发现了铯（1860年）和铷（1861年）。接着，克鲁克斯发现了铊，里奇发现了铟（1863年），波依斯邦德朗发现了镓（1875年），用的都是光谱方法。光谱分析对鉴定化学成分的巨大意义，导致了光谱研究工作的急骤发展。然而，由于当时缺乏足够精度的波长标准，观测结果很是混乱。例如，基尔霍夫在论文中表述光谱用的是他自己从光谱仪测微计上得到的读数。显然，这样的数据别人是无法利用的。1868年，埃格斯特朗（Anders Jonas ngstrm，18141874）发表“标准太阳光谱”图表，记有上千条夫琅和费线的波长，以10-8厘米为单位，精确到六位数字，为光谱工作者提供了极其有用的资料。埃格斯特朗是瑞典阿普沙拉大学物理教授，作过天文观测站工作，多年从事光谱学的工作，对光谱的性质、合金光谱、太阳光谱以及吸收光谱和发射光谱间的关系作过一系列研究，特别是对光谱波长的精确测量进行过大量的艰苦工作。为了纪念他的功绩，10-8厘米后来就命名为埃格斯特朗单位（简写作）。埃格斯特朗的光谱数据用作国际标准达十几年，后来发现阿普沙拉市的标准米尺与巴黎的米原器相比，不是999.81毫米，而是999.94毫米，致使埃格斯特朗的光谱数据有系统误差，18871893年后，被罗兰的数据所代替。罗兰（Henry Augustus Rowland，18481901）是美国约翰霍普金斯大学教授。他以周密的设计、精巧的工艺制成了高分辨率的平面光栅和凹面光栅，获得的太阳光谱极为精细，拍摄的光谱底片展开可达50英尺，波长从2152.91到7714.68，用符合法求波长，精确度小于0.01。2 2、巴尔末发现氢光谱规律、巴尔末发现氢光谱规律 氢光谱的获得也要归功于埃格斯特朗，是他首先从气体放电的光谱中找到了氢的红线，即H线，并证明它就是夫琅和费从太阳光谱发现的C线。后来，又发现另外几根可见光区域内的氢谱，并精确地测量了它们的波长。1880年胡金斯（William Huggins，18241910）和沃格尔（Hermann Carl Vogel，18411907）成功地拍摄了恒星的光谱，发现这几根氢光谱线还可扩展到紫外区，组成一光谱系。这个光谱系具有鲜明的阶梯形，一根接着一根，非常有规律。可是，即使这样明显的排列，人们也无法解释。19世纪80年代初，光谱学已经取得很大发展，积累了大量的数据资料。摆在物理学家面前的任务，是整理这些浩繁杂乱的资料，找出其中的规律，并对光谱的成因，即光谱与物质的关系作出理论解释。正是在这一形势面前，许多物理学家都在试图寻求光谱的规律。法国的M.马斯卡特，波依斯邦德朗都曾发表过这方面的文章。他们将光谱线类比于声学谐音，用力学振动系统说明光的发射，企图从中找到光谱线之间的关系。英国的斯坦尼（G.Johnstone Stoney，18261911）根据基音和谐音的关系，竟从三条可见光区域的氢谱线波长为202732之比，猜测基音波长应为131277.14，这种说法当然过于牵强，于是有人，例如1882年舒斯特（A.Schuster），甚至悲观地指出：“在目前的精度内，要找到谱线的数量关系是没有意义的。”当时的物理学家往往习惯于用力学系统来处理问题，摆脱不了传统观念的束缚，也许正是由于这个原因，在光谱规律的研究上首先打开突破口的不是物理学家，而是瑞士的一位中学数学教师巴耳末（Johann Jakob Balmer，18251898）。他受到巴塞尔大学一位对光谱很有研究的物理教授哈根拜希（E.Hagenbach）的鼓励，试图寻找氢光谱的规律。（巴耳末在巴塞尔大学兼课）。巴耳末擅长投影几何，写过这方面的教科书，对建筑结构、透视图形、几何素描有浓厚兴趣。他在这方面的特长使他有可能取得物理学家没有想到的结果。1884年6月25日巴耳末在瑞士的巴塞尔市向全国科学协会报告了自己的发现氢光谱公式：氢光谱公式：次年发表了论文。在论文中是这样叙述的：“在H.W.沃格尔和胡金斯对氢光谱紫外线测量的基础上，我曾试图建立一公式，以满意地代表各谱线的波长。这件工作得到了哈根拜希教授的鼓励。“埃格斯特朗对氢谱线的精确测量使我有可能为这些谱线的波长确定一共同因子，以最简便的方法表示这些波长的数量关系。于是，我逐渐达到了一个公式，至少可以对这四根谱线以惊人的精度得到它们的波长，这一公式是光谱定律的生动表示式。“从埃格斯特朗的测定，推出这个公式的共同因子是b=3645.610-7毫米”“氢的前四根谱线的波长可以从这一基数相继乘以系数9/5、4/3、25/21与9/8。初看起来这四个系数没有构成规则数列，但如果第二项与第四项分子分母分别乘4，则分子为32、42、52、62，而分母相应地差4。“由于几种原因，使我相信，这四个系数属于两个数列，第二数列包含有第一数列。最后，我终于提出一个更普遍的形式：m2/（m2-n2），其中m、n均为整数。”巴耳末在论文中没有具体介绍是怎样找到这个基本因子的。有人查考了他当年的手稿并根据旁人的回忆，判断他有这样的一段经历：（1）开始，巴耳末也是采用在谱线间找谐和关系的办法，后来感到这个不符合谱线的实际情况，终于摒弃了这一方案。（2）他借助几何图形领悟到谱线波长趋近于某一极值，又从几何图形推测出平方关系，经过反复校核，确定埃格斯特朗的数据最为精确，并找到了这个共同因子。（3）后来，他得到哈根拜希教授之助，将建立的公式与紫外区的五根氢谱线核对，证明也是正确的，这才有把握公之于众。这就是巴耳末公式的发现经过。这个公式打开了光谱奥秘的大门，找到了译解原子“密码”的依据，此后光谱规律陆续总结出来，原子光谱逐渐形成了一门系统的学科。3 3、里德伯的普遍公式、里德伯的普遍公式 瑞典物理学家里德伯（Johannes Robert Rydberg，18541919）则是沿另外一条途径找到光谱规律的。1890年他发表了元素光谱的普遍公式。为了研究元素的周期性，他收集和整理了大量的光谱资料，其中锂、钠、钾和镁、锌、镉、汞、铝等元素的谱线波长数据，对他总结光谱公式提供了重要依据，然而关键的启示是已有一些物理学家在他之前用波长的倒数代替波长来表示谱线。1871年，G.J.斯坦尼第一次尝试用波长的倒数表示光谱线，并建议取名为波数。1871年英国学会报告中有过这样的报道：“用这个尺度（指波数）对研究有很大方便，（因为谐和关系的）光谱线系可表示成等距的。这种方法还有更为方便之处，即这样描绘光谱，比埃格斯特朗的经典光谱图中用波长尺度描绘更接近于从光谱仪直接看到的情景。”1883年，哈特莱（W.N.Hartrey）用波数表示法取得重大成功，他发现所有三重线的谱线系，例如锌光谱，如果用波数表示，同一谱系中各组三重线的间距总是相等的。利夫因（G.D.Liveing）和杜瓦（J.Dewar）同时也得到类似结果。1885年，考尔纽（A.Cornu）观察到铊和铝的紫外光谱的双线中也有类似的情况。1890年，里德伯在哲学杂志上发表论文，题为论化学元素线光谱的结构，论文列举了大量光谱数据，对光谱规律作出总结，他写道：“谱系的各项是相继整数的函数，各谱系可近似用下式表示：公式内n是波数，m是正整数，N0=109721.6，对所有谱系均为一共同常数，n0与是某一谱系特有的常数。将可见到，n0表示当m变为无穷大时波数n趋向的极值。”“同一族（漫族或锐族）的谱系值相同，不同族中同一级的谱线n0相同”里德伯的工作在巴耳末之后，但他并不知道巴耳末公式。直到1890年，当他获知巴耳末公式并且将巴耳末公式用波数表示，发现这正是自己所得公式的一个特例，这才对自己的工作有了更充分的把握。后来，凯塞（H.Kayser）、龙格（G.Runge）、舒斯特、里兹（Walther Ritz，18781909）等人继续进行了谱系的整理研究，续有进展。里德伯和舒斯特独立地发现里德伯-舒斯特定律，即主系的极值与锐系、漫系的共同极值之差等于主系的初项。1908年，里兹提出组合原理，把谱线表为二项之差：光谱项：内与都是某一谱线专有的常数，里兹还发现，任何二条谱线之和与差往往可以找到另一谱线，他预言氢谱H与H之差可得一新谱线，果然帕邢（FriedrichPaschen，18651947）在1908年从红外区找到了，从而发现了氢的帕邢谱系。里兹的组合原理使光谱研究由光谱线转向光谱项，比以前深入了一步。然而，所有这些光谱规律仍然是经验性的。究竟光谱的成因是什么？为什么会有这些规律？它和物质构造有什么本质上的联系？这些问题摆在物理学家面前亟待解决。